Las perovskitas de haluro de plomo, incluso llenas de impurezas y defectos estructurales, son notablemente efectivas para convertir la luz solar en electricidad. Su rendimiento se acerca ahora al de las células solares basadas en silicio, que han dominado la industria durante mucho tiempo. En un estudio publicado recientemente, el Dr. comunicación de la naturalezaInvestigadores del Instituto de Ciencia y Tecnología de Austria (ISTA) han presentado una explicación detallada de esta inesperada habilidad, resolviendo un misterio que ha desconcertado a los científicos durante años.
Esto plantea una pregunta obvia: ¿cómo puede un material relativamente simple y de bajo costo competir con la tecnología del silicio desarrollada durante décadas? En los últimos 15 años, las perovskitas de haluro de plomo se han convertido en candidatas prometedoras para las células solares de próxima generación. A diferencia del silicio, que requiere obleas monocristalinas ultrapuras, estos materiales se pueden fabricar utilizando métodos económicos basados en soluciones y al mismo tiempo proporcionan un rendimiento comparable.
Los investigadores Dmytro Rak y Zhanibek Alpichshev del ISTA han identificado ahora el mecanismo subyacente detrás de estas propiedades inusuales. Sus hallazgos revelan un sorprendente contraste con la tecnología solar tradicional. El silicio depende de una pureza casi perfecta para funcionar de manera eficiente, pero las perovskitas se benefician de sus imperfecciones. Según el equipo, una red natural de defectos estructurales permite que las cargas eléctricas viajen largas distancias a través del material, lo cual es esencial para una conversión eficiente de energía. “Nuestro trabajo proporciona la primera explicación física de estos materiales y al mismo tiempo explica la mayoría de sus propiedades documentadas”, dice Ruck. Esta información podría ayudar a acercar las células solares de perovskita al uso generalizado en el mundo real.
De materiales pasados por alto a avances solares
El término “perovskitas de haluro de plomo” se refiere a un grupo de compuestos identificados por primera vez en la década de 1970. Fueron nombrados por su similitud estructural con las perovskitas, una amplia clase de materiales de óxido ampliamente estudiados en la ciencia de materiales. Aparte de su capacidad para formar cristales híbridos orgánicos-inorgánicos estables, inicialmente atrajeron poca atención y fueron aislados en gran medida después de una caracterización fundamental.
Eso cambió a principios de la década de 2010, cuando los investigadores descubrieron su impresionante capacidad para convertir la luz en electricidad. Desde entonces, las perovskitas también se han mostrado prometedoras en los LED, así como en las tecnologías de detección e imágenes de rayos X. “Además, estos materiales presentan propiedades cuánticas sorprendentes, como la coherencia cuántica a temperatura ambiente”, explica Alpichshev, cuyo grupo de investigación estudia fenómenos complejos en materiales avanzados.
Cómo las células solares generan y transportan carga
Para que cualquier célula solar funcione de manera eficiente, debe absorber la luz solar y convertirla en una carga eléctrica. Este proceso produce electrones cargados negativamente y “agujeros” cargados positivamente. Luego, estas cargas deben viajar a través del material y llegar a los electrodos para generar electricidad utilizable.
Este viaje no es fácil. Las cargas deben recorrer una distancia de cientos de micras, lo que corresponde a cientos de kilómetros a escala humana, sin atascarse ni perderse en el camino.
En las células solares basadas en silicio, este desafío se aborda eliminando los defectos que pueden capturar la carga antes de llegar a los electrodos. Las perovskitas, sin embargo, se fabrican mediante métodos basados en soluciones y, naturalmente, tienen muchos defectos. Esto hace que su sólido desempeño sea aún más sorprendente. ¿Cómo pueden las cargas moverse eficientemente a través de un material tan defectuoso y por qué permanecen separadas el tiempo suficiente para hacerlo?
Descubra las fuerzas ocultas dentro de las perovskitas
Una propiedad conocida de las perovskitas se suma al misterio. Cuando el electrón y el hueco forman un par unido llamado excitón, se recombinan rápidamente. Sin embargo, los experimentos muestran que estas cargas a menudo permanecen separadas durante largos períodos de tiempo dentro del material.
Para explicar esta contradicción, el equipo de ISTA propuso que las fuerzas internas dentro de la perovskita separan activamente los electrones y los huecos, impidiendo la recombinación. Para probar esta idea, utilizaron técnicas ópticas no lineales para inyectar carga profundamente en el material. Cada vez que introdujeron electrones y huecos, observaron una corriente eléctrica constante que fluía en la misma dirección, incluso sin aplicar un voltaje externo. “Esta observación indica claramente que incluso los cristales individuales de perovskita no modificada y en crecimiento tienen fuerzas internas que separan cargas opuestas”, dijo Alpichshev.
Estudios anteriores sugirieron que tal comportamiento no debería basarse en la estructura cristalina del material. Para solucionar esta discrepancia, los investigadores propusieron que la separación de cargas no es uniforme. En cambio, ocurre en regiones específicas conocidas como “paredes de dominio” donde la composición del material cambia ligeramente. Estos muros de dominio forman redes interconectadas en todo el material.
Visualizando paredes de dominio con iones de plata
Confirmar la existencia de estas redes representó un gran desafío. La mayoría de las técnicas de medición examinan sólo la superficie de un material, mientras que las paredes del dominio examinan su interior.
Para superar esta limitación, Ruck desarrolló un nuevo método inspirado en su experiencia en química. Dado que las perovskitas pueden conducir iones, investigó si iones específicos podrían actuar como marcadores para revelar la estructura interna. Introduce iones de plata en el material, que naturalmente migran y se acumulan a lo largo de las paredes del dominio. Luego, estos iones se convirtieron en plata metálica, haciendo que la red fuera visible bajo un microscopio.
“Esta técnica cualitativa, inventada e implementada en ISTA, se parece mucho a la angiografía en tejido vivo: estamos examinando la microestructura de un cristal”, dice Alpichshev.
La “autopista” de carga permite un flujo de energía eficiente
El descubrimiento de una densa red de paredes de dominio a lo largo de la perovskita resultó ser un punto de inflexión. Estas estructuras actúan como vías que conducen cargas eléctricas a través del material.
Ruck explicó: “Si se crea un par electrón-agujero cerca de la pared de un dominio, el campo eléctrico local separa el electrón y el agujero, manteniéndolos en lados opuestos de la pared. Al no poder reconectarse inmediatamente, pueden fluir a lo largo de la pared del dominio y viajar largas distancias durante lo que parecen épocas en la escala de tiempo de los portadores de carga”. De hecho, estos muros de dominio actúan como “autopistas para los portadores de carga”, permitiendo que las cargas se muevan de manera eficiente y contribuyan a la generación de energía.
Una explicación completa y un camino a seguir.
Los investigadores destacan que su trabajo proporciona una explicación unificada del comportamiento de las perovskitas. “Con este panorama completo, finalmente podemos conciliar muchas observaciones previamente contradictorias sobre las perovskitas de haluro de plomo, resolviendo un debate de larga data sobre el origen de su superior eficiencia en la recolección de energía”, dijo Rak.
Hasta ahora, la mayoría de los esfuerzos para mejorar las células solares de perovskita se han centrado en ajustar su composición química con avances limitados. Este nuevo conocimiento abre la puerta a diseñar sus estructuras internas, aumentando potencialmente la eficiencia sin sacrificar sus ventajas de fabricación de bajo costo. Los hallazgos podrían desempeñar un papel importante a la hora de llevar la tecnología solar de próxima generación del laboratorio a un uso generalizado.
